Cómo hacer coincidir los tipos de vías de PCB con el paso de BGA

El componente principal que tiende a impulsar el diseño del stackup en PCB de alta densidad es el BGA. En concreto, el pitch del BGA será un factor clave para determinar cómo diseñar el stackup y qué spans de vía deben usarse para el enrutamiento. Debido al pitch de bolas en un encapsulado BGA, habrá un límite superior en el tamaño de vía y en el tamaño de pad que pueden usarse para el fanout routing. Esto también determinará si se necesita via-in-pad para completar el fanout.

He tratado este tema en otros contextos, específicamente en términos de diseño de footprint y selección del ancho de pista, pero eso solo aplicaba a fanouts tipo dog-bone y a encapsulados con pitch de bola grueso. En este artículo profundizaremos más analizando un rango de valores de pitch y los tamaños de agujero/pad de vía que pueden admitirse. Veremos en esta explicación que este es un factor determinante importante del diseño del stackup y puede definir si se puede usar una construcción estándar, una construcción con sublaminación o una construcción HDI.

Cómo el stackup de la PCB y el BGA determinan las vías de fanout

Los encapsulados BGA grandes suelen ser el componente principal que determina los tamaños de vía permitidos, porque las vías serán necesarias para el fanout routing. Las señales no podrán llegar a las filas internas de pines del encapsulado sin estas vías, por lo que estas deben caber dentro de la región del footprint del BGA. Deben equilibrarse dos factores al dimensionar las vías y determinar el tipo de stackup:

• Separación entre los pads del BGA y los pads de vía
• Relación de aspecto permitida para las vías según el diámetro de perforación

Esta siempre es una optimización difícil porque una separación menor exigirá un diámetro de perforación menor para acomodar un pad de vía y un anillo anular más pequeños. Sin embargo, los diámetros menores de perforación pasante pueden estar prohibidos según el peso de cobre y el espesor de la placa, y esto obliga al uso de una construcción de stackup con sublaminación o laminación secuencial.

Para determinar el tipo de construcción correcto, y posiblemente evitar una costosa construcción HDI, sigo el siguiente proceso para determinar el tamaño de vía, el span de vía y el tipo de construcción adecuados:

1. Determinar el tamaño de pad del BGA necesario en ensamblaje según un valor preferido de peso de cobre.
2. Determinar los tamaños máximos de pad permitidos en las opciones de fanout dog-bone y via-in-pad para vías pasantes.
3. Determinar el diámetro máximo de perforación para cada opción de fanout según los requisitos del anillo anular.
4. Comparar el diámetro de perforación permitido con el espesor propuesto de la placa y determinar si la relación de aspecto puede fabricarse.
   1. Si la vía está dentro de los límites de relación de aspecto para agujeros pasantes, entonces este diseño inicial es aceptable.
   2. Si la relación de aspecto suponiendo agujeros pasantes es demasiado grande, entonces considere una construcción con sublaminación o una construcción HDI.
   3. Si el diámetro de perforación requerido es menor de 6 mil (0,15 mm), entonces se requiere HDI.
5. En 4b, si se selecciona una construcción con sublaminación con vías ciegas, entonces determine el peso final del cobre después del plateado y verifique que las separaciones en el BGA sigan siendo suficientes.

Ejemplos de dimensionamiento de vías con dos encapsulados BGA

Considere los ejemplos mostrados en esta sección. Analizaré dos componentes: un encapsulado con pitch de 0,8 mm y un encapsulado con pitch de 0,5 mm. El encapsulado con pitch de 0,8 mm está muy cerca del pitch de 1,0 mm, y en ambos dispositivos se utilizan prácticas muy similares.

Ejemplo 1: encapsulado BGA de 0,8 mm

Primero, observe el dispositivo con pitch de 0,8 mm que se muestra a continuación. Este BGA tiene una distancia X mm/Y mil entre los bordes de los pads a lo largo de la dirección diagonal.

Estas vías grandes pueden usarse en un fanout dog-bone con un BGA de pitch de 0,8 mm, pero normalmente podrían usarse vías más pequeñas.

Si partimos de un límite de separación de 0,1 mm/4 mil, podríamos colocar el siguiente tamaño de pad de vía y de perforación entre los pads para un fanout dog-bone o un fanout via-in-pad:

• Fanout dog-bone:
  • Tamaño máximo del pad de vía: 20,8 mil
  • Tamaño máximo del agujero de vía: 12,8 mil para Clase 2 o 10,8 mil para Clase 3
• Fanout via-in-pad:
  • Tamaño máximo del pad de vía: 27,6 mil
  • Tamaño máximo del agujero de vía: 19,6 mil para Clase 2 o 17,6 mil para Clase 3

Con estos tamaños máximos de agujero para cumplimiento de Clase 2 o Clase 3 (Clase 3 supone el nivel máximo de producibilidad IPC), la relación de aspecto máxima permitida según las directrices de un fabricante sería normalmente de 10:1 o posiblemente 12:1. Los agujeros pasantes serían aceptables para espesores de placa de hasta al menos 3 mm en la mayoría de las fábricas de PCB.

¿Qué ocurriría si tuviéramos una placa más gruesa que eso? En ese caso, tendríamos que usar una construcción con sublaminación con vías ciegas perforadas mecánicamente, o HDI con vías perforadas por láser. Tenga en cuenta que este es el caso independientemente del número de capas. De hecho, el número total de capas no tiene nada que ver con la selección de HDI o sublaminación, aparte de los factores de fiabilidad al apilar microvías ciegas y enterradas.

Ejemplo 2: encapsulado BGA de 0,5 mm

Ahora considere un encapsulado BGA con pitch de 0,5 mm. En este encapsulado, no podemos usar fanout dog-bone, por lo que debe usarse via-in-pad para acomodar el menor espaciado entre pads en el footprint del BGA, suponiendo capacidades de fabricación estándar. Este pitch también requiere el uso de microvías para enrutar hacia la región de fanout.

Vías de pad de 10 mil/agujero de 5 mil en configuración de fanout dog-bone en una matriz de pads con pitch de 0,5 mm.

Si usamos el mismo límite de separación de 0,1 mm/4 mil, el mayor tamaño de pad de vía que podríamos colocar en un fanout dog-bone es de 10 mil. Esto eliminaría el uso de perforación mecánica a menos que se usaran vías sin land, lo cual es un proceso más complejo que no está disponible para la mayoría de los fabricantes.

Podríamos usar via-in-pad con perforación mecánica, pero la misma separación permite un diámetro de pad de vía de 15,5 mil, lo que permite una perforación de vía de 7,5 mil para lograr cumplimiento de Clase 2 (suponiendo que su fábrica opere al nivel más alto de producibilidad IPC). Esto podría lograr una relación de aspecto mayor de 8:1 a 10:1 dependiendo de la clase de producto IPC y de las capacidades del fabricante. Esto podría permitir fabricación con agujero pasante, o podría permitir 

Lo más probable es el uso de vías perforadas por láser, ya sea en dog-bone o en via-in-pad. Por motivos de fiabilidad, se elegiría dog-bone con microvías en lugar de via-in-pad, pero en principio cualquiera de las dos podría usarse para fabricar microvías perforadas por láser.

• Perforación mecánica en fanout dog-bone: no es posible
• Perforación mecánica en fanout via-in-pad:
  • Tamaño máximo del pad de vía: 15,5 mil
  • Tamaño máximo del agujero de vía: 8 mil para Clase 2 o 6 mil para Clase 3
• Perforación por láser en fanout dog-bone:
  • Tamaño máximo del pad de vía: 10 mil
  • Tamaño máximo del agujero de vía: depende de la profundidad de perforación; la clase de producto IPC depende de la capacidad del fabricante
• Perforación por láser en fanout via-in-pad:
  • Tamaño máximo del pad de vía: 15,5 mil
  • Tamaño máximo del agujero de vía: depende de la profundidad de perforación; se puede lograr Clase 2 o Clase 3

Más sobre via-in-pad en el Ejemplo 1

En el Ejemplo 1, normalmente preferiríamos el fanout dog-bone como base para determinar el tamaño máximo de vía. Esto se debe a que via-in-pad normalmente no ofrece una ventaja en este caso y, en cambio, introduce posibles problemas de fiabilidad. Aunque sí permite usar un diámetro mayor de pad de vía y de agujero, eso solo es útil desde la perspectiva de acomodar una PCB más gruesa. Las PCB más gruesas con una relación de aspecto fija requerirían diámetros de perforación mayores. Si se usara via-in-pad, el diámetro máximo teórico del pad de vía sería de 0,7 mm/27,6 mil después de considerar la separación. Esto permitiría un diámetro de agujero mayor, pero el caso en que esto sea realmente necesario no es común.

Además, usar diámetros de vía tan grandes con via-in-pad requeriría eliminar todos los pads no funcionales en capas internas para proporcionar espacio para enrutar dos filas de pines del BGA por capa. En otras palabras, usar estas vías grandes en via-in-pad duplicaría el número de capas necesarias para hacer el fanout del BGA. Por eso, generalmente se prefieren vías algo más pequeñas con fanouts dog-bone estándar.

Valores moderados de pitch de BGA

Hay una conclusión importante que conviene considerar, particularmente cuando observamos valores de pitch moderados entre 0,5 mm y 0,8 mm. En este rango de pitch, es concebible que cualquier tipo de vía pueda ser aceptable para el fanout del BGA. En otras palabras, el pitch no es el factor principal que determina el tipo de vía; son el espesor de la placa, la relación de aspecto y las separaciones los que limitan qué vías pueden usarse.

De manera similar, la conversación sobre el uso de vías en el fanout de BGA suele plantearse como una elección binaria entre vías pasantes y microvías ciegas/enterradas. Sin embargo, no descarte el uso de vías ciegas perforadas mecánicamente en los valores intermedios de pitch de BGA. Si se usan vías ciegas perforadas mecánicamente, lo mejor es limitarlas a un fanout de BGA de un solo span de vía. Esto se debe a que cada span de vía requiere una etapa de plateado, y esto aumenta el peso de cobre en la capa superficial y reduce las separaciones permitidas para el cobre final.

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Preguntas frecuentes

¿Todos los BGA de paso fino requieren microvías perforadas con láser?

No, pero esto depende de la definición exacta de “paso fino”. Por debajo de 0,5 mm de paso, se requerirán microvías para poder alcanzar el cumplimiento de Clase 2 o Clase 3 en la fabricación de PCB. Entre 1,0 mm y 0,5 mm, todavía pueden utilizarse vías perforadas mecánicamente, aunque las vías pueden ser vías ciegas.

¿La vía en pad siempre es mejor para BGA de paso fino?

No. La vía en pad a veces es necesaria, pero no es automáticamente la mejor opción. En el ejemplo del artículo con paso de 0,8 mm, se prefiere el fanout tipo dog-bone porque la vía en pad no aporta mucho beneficio y puede introducir problemas de fiabilidad. Las estructuras de vía en pad más grandes también pueden obligar a eliminar pads internos no funcionales y pueden aumentar el número de capas de enrutamiento necesarias para hacer el fanout del BGA.

¿Cómo afectan IPC Clase 2 e IPC Clase 3 al tamaño permitido de perforación de vías en BGA?

IPC Clase 2 e IPC Clase 3 cambian el tamaño máximo de perforación que se puede permitir para un diámetro de pad determinado, porque cambia el requisito del anillo anular. La Clase 3 obliga a usar tamaños de perforación permitidos más pequeños, lo que puede restringir los límites de relación de aspecto y hacer más probable una construcción HDI o con vías ciegas.

¿Un mayor número de capas significa automáticamente que una PCB necesita HDI?

No. El número total de capas por sí solo no determina si se requiere HDI. Los factores reales son el paso más pequeño de BGA en la PCB, los límites de separación de grabado, el tamaño permitido del pad de vía y de la perforación, el grosor de la placa y la relación de aspecto alcanzable. Si el diámetro de perforación requerido en perforación mecánica es inferior a 6 mil, entonces se requiere HDI. De lo contrario, una construcción estándar o una construcción con sublaminación y vías ciegas perforadas mecánicamente todavía puede ser viable, incluso en una placa más gruesa o más compleja.